模块化飞机结构优化设计方法-论文.pdf

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1、6JIANGSUAvIATIoN2014年第3期模块化飞机结构优化设计方法◎张立丰／南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室◎姚卫星／南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室随着航空科技的进一步发展，突破传统模式、力求创优化问题。在大多数情况下，各子目标往往是相互冲突新，以追求任务的多样化和产品的经济性成为一大趋势。的，某子目标的改善可能引起其他子目标的降低，即同时其中，模块化设计技术在航空航天等领域逐渐引起了广泛使多个子目标均达到最优一般是不可能的。模块化飞机的关注。模块化飞机设计是指在飞机的初步设计阶段，就的

2、结构设计问题属于典型的多目标优化问题，对于不同目考虑各个机型通用的部件或子系统，将通用的部件或子系标的飞机，要求其共享完全相同的部分结构，在一般情况统组成通用平台，通过添加或修改模块形成不同的型号，下是无法使所有飞机结构同时达到最轻的。解决多目标满足不同的技术和使用要求。飞机模块化可以扩展飞机优化问题的最终目的只能是在各个目标之间进行协调权产品的用途和类型，满足不同的任务要求；减少制造过程衡和折衷处理，使各个目标均尽可能达到较优。中的工艺装备成本；降低飞机维修和维护费用，减少采购模块化飞机结构设计内容分为两类，一是分离面设成本和库存

3、等。计，二是机体结构设计。当两个模块之间的分离面结构型现有的飞机设计理论和方法主要针对单一机型，而在式及参数确定的情况下，专有模块所受气动载荷以固定型模块化设计时需要同时考虑多任务需求。目前模块化飞式和大小传递到通用模块上。对于通用模块部分，由于其机的设计方法研究在国内外都处于初始阶段。Pate等人变量在飞机族的不同型号中取值相同，但所受载荷不同，采用三级优化方法进行了模块化无人机设计，Allison等因此可以看做是通用模块的多工况、多约束条件问题。对人基于分解方法研究了大型客机族的设计，Willcox等人于专用模块，是在特定的载荷

4、条件下工作，当通用模块参采用同时优化方法进行了BWB模块化飞机设计，Fujira数确定的条件下，属于一般的结构设计问题。等人对采用稳健性优化思想飞机族设计进行了分析，雍明培等人针对不同的学科层次提出了相应的多级优化方法。3模块化飞机结构设计优化方法1模块化飞机结构优化问题模型分析模块化飞机结构设计的优化方法总结起来有两类：一类是顺序优化，该方法将通用模块与专用模块分开设计，对于一般单型号的飞机结构的优化问题，有以下优化首先确定通用模块的结构参数，在此基础上确定各型号最数学模型优的专用模块参数；第二类是同时优化方法，该方法不区f设计变

5、量x分通用模块和专用模块的优化顺序，同时考虑所有变量，l目标函数w．m优化结果为飞机族结构参数的最终取值。约束条件强度约束(1)3．1变量包络法l【刚度约束该方法属于典型的顺序优化方法，优化顺序为通用模j块到专用模块。模块化飞机结构通用变量包络法思想主而对于对于模块化飞机结构，由于所设计的目标是多要为：对各个型号飞机结构在不考虑通用性前提下分别进型号的飞机族，因此设计变量与目标函数更加复杂，模块行首轮优化，变量为各个型号飞机结构的所有变量，此时化飞机结构设计的优化可以表达为各个型号的通用变量不相同，某个通用变量取值分别为f设计变量x

6、p，X(一1，2，⋯，N)x(i一1，⋯，N)，利用“包络”思想，取x—max(x)(一l目标函数W(i一1，2，⋯，N)1，⋯，N)，当通用变量确定后，再次对各个型号飞机结构．《l约束i条件型号1约束条件(2)进行第二轮优化，优化变量为专有变量。该方法是一种保守的设计方法，对于所有通用变量均取最大值导致设计【型号N约束条件结果并非实际最优。为通用变量，即通用模块的变量，在飞机族不同型3．2单级、多级优化方法号飞机中，由于通用模块完全相同，因此要求通用变量完对模块化结构优化的目标函数采用归一化以后，其优全相同；x为各个型号飞机的专有

7、变量，对于不同飞机型化表达式为号，专有变量数量、取值均不相同。目标函数：∑(一1，⋯，N)1因此，模块化飞机结构设计的优化是一个多目标、多设计变量：xp，x(i一1，⋯，N)l工况、多约束条件的问题。型号1约束条件约束条件：型号2约束条件I2多目标、多工况优化问题型号N约束条件J对多个子目标同时实施最优化的问题称之为多目标为各个型号目标函数的权重系数，x为通用变量，第3期张立丰，等：模块化飞机结构优化设计方法7x为各个型号飞机的专有变量。不考虑通用变量和专有变量的区别，各个型号变量与4模块化桁架结构优化结构重量间仅考虑映射关系，该优

8、化问题简化为一个单级图1所示为模块化的两个桁架结构。杆①～⑤组成优化问题。针对此类问题，可以用遗传算法(GA)，粒子群一个1度静不定结构，为通用结构模块。桁架1的⑥和⑦优化算法(PS0)等全局优化算法求解。杆、桁架2的⑥和⑦组成了2个